一起学习抗体的基础知识

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抗体结构介绍
免疫检测是利用抗原-抗体免疫反应对分析物进行检测,毫无疑问,抗体是免疫检测性能至关重要的组分。为特定场景选择抗体的时候,首先考虑的因素是如何选择具有正确的特异性和结合亲和力的抗体。因此,了解抗体的基本结构和不同类型,对抗体原料的开发和选择有重要的指导意义。
基本结构概述
抗体是一种糖蛋白,属于免疫球蛋白超基因家族。其基本结构由两条相同的分子量较小的肽链(轻链)和两条相同的分子量较大的肽链(重链)组成,轻链和重链通过二硫键连接形成一个近似“Y”形的结构。所有抗体的基本结构都是四条肽链的对称结构,每条肽链细分为各种球形结构域,由数量不定的二硫键连接,并且分为氨基端(N端)和羧基端(C端)。每条重链包含3~4个恒定区(CH)和一个可变区(VH),轻链包含一个恒定区(CL)和一个可变区(VL)。每个可变区含有3个高变异的呈环状结构的互补决定区(CDRs),抗体Y形结构的每个臂上的6个CDRs共同形成抗原结合位点,因此抗体的Y形臂区被称为抗原结合区(Fab区)。Y形结构基座的作用是调节免疫活动,该区域被称为可结晶区(Fc区),该区域的每一条重链由2个或者3个恒定结构域组成。
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图1 抗体基本结构示意图

轻链(L链)和重链(H链)

轻链由214个氨基酸残基组成,通常不含碳水化合物,分子量为24kD,有两个结构域(1个VL和1个CL)。轻链可分为kappa(κ)与lambda(λ)两个亚型,在不同的免疫球蛋白分子中,轻链的类型不同是常见的,但在同一免疫球蛋白分子中,两条轻链都是相同类型的。κ和λ亚型的比例因物种而异,如在老鼠中大约有95%的κ型轻链和5%的λ型轻链,而在人类中这一比例分别为60%和40%。

重链由450~550个氨基酸残基组成,分子量55~75kD,含糖数量不同,有4-5个结构域(1个VH和3~4个CH)。根据重链恒定区的结构差异,可分为μ、γ、α、δ、ε链,它们分别与轻链(κ或λ)组成完整的免疫球蛋白分子,对应5类抗体:IgM、IgG、IgA、IgD、IgE。
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图2 抗体不同种类结构示意图
可变区(V区)和恒定区(C区)
肽链的N末端序列变化很大,称此区为可变区,包括轻链N端1/2处的108~111个氨基酸残基和重链N端1/5~1/4处的118个氨基酸残基。可变区含有3个高变区和4个骨架区。高变区为抗体与抗原的结合位点,也称为互补决定区(CDR),包括CDR1、CDR2和CDR3,其中CDR3具有更高的变异程度。
肽链的C末端氨基酸相对稳定,变化很小,称此区为恒定区,包括轻链C端1/2处的105个氨基酸残基和重链C端3/4~4/5处的331~431个氨基酸残基。不同类抗体分子的CL长度基本一致,CH长度不同,例如IgG、IgA和IgD包括CH1、CH2和CH3,而IgM和IgE则包括CH1、CH2、CH3和CH4。
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图3 抗体CDR结构示意图
结构域和铰链区
链内二硫键折叠成数个球形结构域,每个结构域由约110个氨基酸组成,氨基酸序列具有高度同源性,抗体的L链和H链中V区或C区每个结构域的二级结构是反向平行的β片层结构。
铰链区不是一个独立的结构域,位于CH1和CH2之间,包括H链简单二硫键,该区富含脯氨酸,不形成α螺旋。当抗体和抗原结合时,铰链区发生扭曲,使抗体的2个抗原结合位点能更好的与2个抗原决定簇互补。铰链区含有木瓜蛋白酶和胃蛋白酶水解位点,可以将抗体水解为Fab、F(ab’)2和Fc片段。
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图4 抗体水解示意图
J链和分泌片
抗体除上述的基本结构外,某些类别的抗体还含有J链和分泌片。
J链是一条富含半胱氨酸的多肽链,由浆细胞合成,其主要功能是将多个Ig单体连接为多聚体。
分泌片是分泌型IgA分子上的一个辅助成分,为一种含糖的肽链,以非共价形式结合于IgA二聚体上,使其成为分泌型IgA(SIgA),能保护SIgA的铰链区不被蛋白水解酶降解。
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图5 IgA抗体J链和分泌片示意图
抗体类别介绍
在大多数哺乳动物中,免疫球蛋白包括IgG、IgM、IgA、IgD和IgE五种类型,它们大小、电荷、氨基酸组成和碳水化合物含量均不相同。同时,各型抗体存在亚类并且它们之间也存在异质性,如人和小鼠IgG的4个亚型(IgG1、IgG2、IgG3、IgG4)不具有同源性。除此之外,在禽类动物中还存在IgY抗体。
IgG
IgG存在于血液和细胞外液中,是体内最主要的抗体,占总免疫球蛋白群体的70-75%,由一个Y单位组成,分子量约为150kD,包括IgG1、IgG2、IgG3、IgG4亚型。这四个亚类的比例分别为65%、23%、8%和4%。IgG3比其他亚类稍大,所有四个亚类的碳水化合物含量都是相同的。IgG具有抗病毒、中和病毒、抗菌及免疫调节的功能,也是唯一能够通过胎盘的抗体,在新生儿抗感染中起重要作用。
在免疫检测中,几乎只用IgG,它具有以下优点:
  • 在免疫反应中产量最高

  • 与抗原表位的结合亲和力最强

  • 在分离纯化过程中稳定

  • 具有多个功能位点可用于化学欧联并且对抗体结合力损失最小

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图6 IgG抗体示意图
IgA
IgA在血清中的水平相对较低,分为血清型和分泌型(SIgA),有Ig A1和Ig A2两个亚类。血清型IgA为单体,分泌型IgA有二聚体和三聚体。IgA广泛分布于乳汁、唾液以及胃肠道、呼吸道、泌尿生殖道黏膜分泌液中,对某些病毒、细菌和—般抗原具有抗体活性,是防止病原体入侵机体的第一道防线。
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图7 IgA抗体示意图
IgM
IgM是由5个基本的Y亚基组成的五聚体,通过二硫键和J链连接,每条重链由5个结构域组成,分子量为900kD。IgM的五聚体特性使其在如免疫组织化学等检测中需要信号放大时才有一定用途,但可能会存在大分子位阻效应。并且与IgG相比,IgM主要在免疫反应早期形成,亲和力较低,不易纯化和分离。
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图8 IgM抗体示意图
IgD和IgE
IgD在血清中含量很低,约占总Ig的1%,且含量个体差异较大,主要作为膜受体存在于B细胞表面,其分子量为180kD。
IgE分子量为190kD,在正常人的血液中含量极低,约占血清总Ig的0.002%,主要存在于嗜碱性粒细胞和肥大细胞表面的受体上,也存在于嗜酸性粒细胞、皮肤郎氏细胞、皮肤和外周血树突状细胞和单核细胞上。IgE与I型变态反应有关,在过敏性疾病和寄生虫感染中,IgE含量会升高。

IgY
IgY是禽类、爬行动物和肺鱼的主要抗体,在功能和结构大小上,与IgG相似。IgY在4℃条件下很稳定,且可采用简单、无创的方法进行收集,并且其免疫原与宿主的亲缘关系较远,在免疫检测应用中非常具有吸引力。
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图9 IgE抗体示意图

参考文献:doi: 10.1038/npg.els.0003985


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